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OS虚拟内存管理

ops 2025/8/11 18:45:50

虚拟内存管理是操作系统设计的核心点之一，涉及到分页机制、安全性、内核态/用户态隔离、页表设计等关键知识点。
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4kb*1024 = 4M

下面这个是一级页表

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实现一级页表要改下CR4 PSE的位

❓Q1：你是如何通过虚拟内存来实现内核与用户空间的隔离的？

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我使用的是 x86 的二级分页机制，每个任务有独立的页目录。在页表设计中，我将内核代码、数据等内容映射到高地址（如 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF），并在页表中设置为 U/S=0，也就是用户进程不能访问的页。

用户空间（0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF）由各进程的私有页表定义。内核页表部分在所有进程中是共享的，而用户部分各自独立，从而实现了虚拟内存上的隔离保护。

❓Q2：你怎么防止用户进程访问内核内存？

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在分页机制中，每个页表项都有一个 U/S（User/Supervisor）位。如果该位是 0，说明只有特权级为 0 的代码（内核）可以访问该页。

所以我在内核映射区域的页表项上都设置了 U/S=0，用户进程在 Ring3 尝试访问这些地址时，会触发 Page Fault 异常。我的异常处理器会记录这种越权行为并终止对应进程。

❓Q3：你每个用户进程的页表是怎么构建的？

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fork 时，我会复制当前进程的页目录表，用户空间部分为每个页分配新的物理页并复制内容（也可以拓展为写时复制 COW）；而高地址的内核部分则直接指向内核的共享页表项。

execve 时，我会销毁原用户地址空间的页表，重新加载 ELF 文件的 .text/.data 段，并构建用户栈。最终把新的页目录地址写入 CR3，切换虚拟地址空间。

❓Q4：为什么内核空间要映射到高地址？

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把内核映射到高地址（例如从 0xC0000000 开始），可以清晰划分用户态和内核态的地址空间。

用户程序看到的虚拟地址是从 0x00000000 开始，而内核的地址从高地址开始，确保用户进程无法伪造指针访问内核。这个策略还允许内核在中断/系统调用时能继续使用自己熟悉的地址，不需要来回切换页表或复制内核数据。

❓Q5：CR3 是什么？它在进程切换中起什么作用？

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CR3 是 x86 架构中的页目录基地址寄存器，它指向当前激活的页目录物理地址。每次任务切换时，我会将新进程的页目录地址写入 CR3，这样虚拟地址的映射也就随之切换，实现了内存空间隔离。

✅ 二、答题要点总结（可以作为开场白）

你可以这样回答概括性的问题：

在我的操作系统中，我使用分页机制将虚拟地址映射到物理地址。通过将内核空间映射到高地址，并设置 U/S 位限制用户访问，实现了内核与用户空间的隔离。每个进程都有独立的页目录，切换进程时通过 CR3 切换页表，从而实现了每个进程拥有独立的地址空间，互不干扰。这既提高了安全性，也为多任务调度和用户态支持打下了基础。